新型便携式数据采集分析仪的研制

作者：一汽集团技术中心 程传河 高建军

欢迎访问e展厅 展厅 6 电子测量仪器展厅 万用表, 示波器, 电子测试仪器, 信号发生器, 信号分析仪, ... 摘要：本文阐述了新型便携式汽车试验数据采集分析处理仪的系统设计方案和实现方法。在系统研制工作过程中，创造性地采用笔记本计算机打印并行口作为数据采集系统总线；可直接使用各种具有EPP 接口的笔记本计算机作为系统主控机。它可作为一个通用的数据采集平台，完成汽车的道路性能试验以及室内台架等现场试验的数据采集和分析处理。该平台具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、安全保护好、操作简洁、维修方便、数据接口开放、便于用户二次升级开发等特点；同时具有较高的性能价格比，价格仅为进口仪器的1/20，节省引进资金达120 万美元。目前，开发完成的21 台该类采集仪，已应用于技术中心的汽车道路及室内台架试验工作中，为产品的开发研究、产品对标、技术攻关和质量改进发挥了重要作用。 关键词： 汽车试验 新型便携式 数据采集分析仪 1 引言 汽车试验是我们技术中心三大主体工作之一，而整车道路试验又是汽车试验的一个重要方面。这些试验所需的车载仪器设备又有其特殊性——可移动便携式、可靠性高、操作简洁、通用性强、具有实时采集和分析处理等功能。由于进口设备价格昂贵，以往我们技术中心所用的车载设备除了噪声测试分析需要高频采样、专用频谱分析处理软件而采用的是进口的设备；其它数据采集仪除少量是委托外面公司开发的外，大都是是我们技术中心自行开发研制的。由于这些自行研发采集仪功能满足使用要求，而且具有价格低、使用方便、便于二次开发等特点，所以这些仪器比较受广大试验人员的欢迎。而这些自制采集仪硬件平台无论是我们做的还是他人搞的，采用的都是带有专用扩展总线ISA 的笔记本计算机，但这类机型在98 年就已淘汰。目前的笔记本计算机没有ISA 扩展总线，根本不能连接那些原有的数据采集板。99 年在技术中心几个试验部门，原用的带有ISA 扩展总线笔记本计算机电脑有多台出现了不可修复的故障，使采集仪处于瘫痪状态，无法使用，严重地影响了日益增加的整车道路试验工作的进行。有关部门在机电仪计划中提出了多台进口车载数据采集仪采购申请。但由于每台进口设备费用高达5 万美元以上，根本不可能满足全部采购要求。本着“自主开发、节省资金”的原则，我们决定依靠自己技术力量开发新一代车载数据采集仪平台，对技术中心原有的自行研发的车载数据采集设备进行全面升级。 2 新型数据采集分析仪的研发目标 2.1 统一平台 技术中心原有的十几台采集仪，由于开发时都是与某个试验部门、甚至是某个人制定的方案，这样就导致了无论是选用的笔记本电脑、要求的设备功能，还是开发的数据采集板、编制的数据采集分析处理软件都是各不相同，最常用传感器信号输入端子插头也是五花八门。这些设备存在着功能单一、不能互相代用的不足；最重要的是即使是同一种试验，由于采用的不是同一台仪器使得信号采集精度、误差，甚至标定和数据分析处理方法都不同，这样导致试验结果可比性差。 为此，我们决定将技术中心的故障频频的老仪器全部淘汰，进行全新升级；新型采集仪采用统一的笔记本电脑、同一精度的A/D 转换器和计数器，同样性能的多路转换开关和采样保持器，这样就实现全中心道路试验设备硬件平台统一；同时对数据分析处理方法和试验数据格式进行了统一，这样将为实现试验数据共享、建立技术中心试验数据库打下基础。 2.2 继承原有 在汽车试验尤其是整车道路试验方面，我们技术中心有一大批专家和技术人员，不仅具有很高的理论水平而且积累了丰富的实践经验，在这些方面既使是吉林工业大学和清华大学也是无法比拟的，这些知识和经验在我们以往开发的数据采集仪中得到了具体体现。因此，我们对原来的所有采集仪进行了综合比较和分析，决定新型数据采集仪要博采众长，充分保留原有设备的大家认可的硬件性能，选用最优、最合理的软件分析处理模型和方法。 2.3 升级创新 由于原设备开发受当时软、硬件技术发展水平的限制，对于我本人来说当时的硬件开发水平和经验与现在相比也是不成熟的，所以新型仪器在继承以往老设备的软硬件优点的基础上，结合当今最新的计算机软硬件应用技术以及我们多年的研发经验，进行最大程度升级和创新。采用的新型笔记本电脑的打印机接口做数据采集总线代替计算机ISA 总线，使得任何具有EPP 接口的笔记本都可以做采集仪的主控机，这是本系统最突出的创新之处。 直接采用硬件电路实现了多路开关及多路采样保持器自动控制，其原理和方法也都是比较独特的，简化了控制软件逻辑和指令条数，同时在不增加成本没有更换A/D 芯片的前提下，使系统转换速度和数据吞吐效率提高了20%。 2.4 功能集成 以往研发的系统无论是硬件还是软件功能相对来说是单一的，每台设备的硬件输入通道数量和信号输入范围都是不一样的。我们开发的新型采集仪对硬件功能和结构进行兼容性设计，或者是通过软件控制硬件实现功能选择；同时将各种性能的分析处理软件集成在一个窗口内，用一台仪器只是选用不同的软硬件功能设定和选择分析处理模块，即可完成不同的道路试验。 2.5 接口开放 包括两个方面：一个方面是控制硬件采集板的软件程序接口向用户开放。有编程开发能力的用户可根据自己的试验工况开发一些专用的特殊的程序，这对试验研究有重要意义。这方面强振的李元宝做的非常好，自主开发了一些程序；还有整研和试车场都自己开发了一些专用程序。第二个方面是指采集的试验原始数据文件接口向用户开放。 数据格式也可按不同的要求进行转换，这样用户可以用其他软件直接调用这些数据进行分析处理并编制试验报告。 2.6 完善性能 以往的数据采集分析仪，由于受当时软、硬件技术水平限制，许多功能不尽完善。新型数据采集分析仪的开发集中了广大试验人员的意见，结合我们多年设备仪器的研发经验并参考了国内外类似器的软硬件特点，扬长避短，我们在系统功能的灵活性、使用可靠性、电源功耗及反向安全保护、软硬件使用操作方便性、结构的紧凑性，以及仪器的体积与重量都进行了细致考虑和设计。系统增加了应变程控放大（代替应变仪）、不同速度A/D 芯片的选择插座、模拟量采集及脉冲技术的系统自检与标定、软件上增加了信号示波器跟踪、文件格式转换接口等重要新功能。这样使该设备还可以作为一个通用的数据采集器，不仅可完成道路试验也可以进行试验室内台架试验的数据采集。 同时，对数据采集仪的使用操作方便性进行了细致考虑和设计：将全部输入信号通道插座放在采集仪面板的左侧，便于试验人员在副驾驶位置操作；使用可拆盖的机箱；电源线采用绞链粘结捆绑可控制长短。 3 采集仪性能及研发方案的确定 3.1 系统的主要技术性能 (1) 试验性能 可完成汽车的经济性、动力性、平顺性、操纵稳定性、振动、制动等常规性能试验；也可作为一个通用的数据采集平台，实现室内台架等现场试验的数据采集。 (2) 主要功能与参数 模拟输入通道：单端16 路（扩展插头32 路），双端8 路（扩展插头16 路）； 脉冲计数通道：5 路，16 位、最高计数频率为1000kHz； 输入插头端子：5 芯航空插头，8 路模拟输入信号并行扩展视频信号插头； 扩展插头：1 个，包含24 路模拟信号、5 路脉冲计数信号； A/D 转换频率：快速逐次逼近似转换40kHz 及200kHz 两种，通过芯片插座选择； A/D 分辨率：12 位； A/D 输入量程：单极性0～10V，双极性-5～+5V； A/D 系统电压转换精度：1LSB(最低分辨位)/2.44mV； A/D 输出代码：偏移二进制； A/D 输入阻抗：10MΩ； 数据交换方式：查询I/O 方式，定时+中断； 系统电源电源及功耗：+12V±5%，电流不大于5A； 接口特性：符合笔记本计算机打印机扩展接口电气和机械特性，占一个插槽，全部接口线为标准LS门输入或输出。 以下是新系统较以往采集仪增加性能。 (3) 内部时钟与外部时钟触发选择功能 根据不同的实验需求，需要用不同的时钟方式，选择采样触发时钟，通过程序控制硬件电路实现选择。 (4) A/D 程控滤波、程控放大功能 根据不同的采样频率，对一些高频噪声进行低通滤波，滤波截止频率可由程序控制选择；不同传感器信号输出范围不一样，为保证A/D 转换精度必须对输出范围小的模拟信号进行放大，具体倍数可由程序控制。 (5) 差分应变放大器选择功能 对于压力温度或磁电式传感器需要应变放大，我们设计了五路应变放大器，这样省掉了外加应变放大器，为试验带来方便，可用程序控制硬件电路自动实现是否放大选择。 (6) A/D 输入通道同步采样/保持的选择功能 许多道路试验要求数据采集过程中各通道采样点相位一致，所以要求A/D 各通道具备采样/保持性能。是否使用采样/保持可由程序控制选择。 (7) 系统自检功能 在系统中，我们设计了一个2.5V 标准信号参考源和一个100HZ 标准脉冲方波，可以通过外部端子线输入相应的模拟或脉冲通道，这样可不用外加标准信号源即可对系统进行标定，或对整个系统采集功能进行检测，可以查出某一个模拟或数字输入通道是否有故障。 (8) 信号示波器跟随监视功能 可对采集的信号进行实时跟踪显示，可及时发现传感器信号输入情况及量程合适与否，减少试验的重复性，显著提高试验效率。 比如说有一速度信号，插头接触不良或连线断了，从前只能是经过数据分析处理之后，通过读取数据或结果曲线才能发现，试验必须从头做，这不仅浪费了时间而且也提高了试验成本。 (9) 单一工作电源，反向保护功能 笔记本电脑工作电源是+15V，那么外部输入就需要+24 V，以往用的是由两个12V 电瓶串起来组合电瓶，如果只使用一个+12V 电瓶供电，那么就得外加一个逆变电源给笔记本供电，但市售逆变电源体积和重量都非常大，这两种方式都非常麻烦。这次开发使用了一个国外最新研发的逆变器电源DC1550，它体积小、功率大，实现了整个采集仪共用一个+12V 电瓶即可工作的目的。由于该逆变电源价格昂贵达四千余元，电源极性不能接反，否则会立即烧毁。我们加了一个大功率二级管实现反相接入保护功能。 3.2 系统研发路线及总体方案确定 为了达到系统满足上述新型数据采集分析仪的研发目标，并满足上述采集仪具体性能的要求，我们制定了如下系统研发路线及总体方案： 3.2.1 采用商用笔记本电脑作数据采集仪主控计算机 车载数据采集系统中的主控机的只能用便携式计算机，共有两种两种可供选择：一种是工业级便携式计算机，不仅价格昂贵而且非常笨重，可靠性高一些是唯一的优点。另一种是我们常用的商用笔记本电脑，价格是工业级笔记本电脑的1/3，而且轻巧、携带移动非常方便，只是在车上使用可靠性差一点，但广大试验人员喜欢用这种，所以以往并非完全考虑价格问题，采用的都是这种性能价格比较高的商业笔记本电脑，所以我们这次采用台湾产WINBOOK380 微型笔记本电脑，它具有体积小，结构紧凑，可靠性高，抗振动，抗干扰能力强等特点。 3.2.2 开发打印机并行口总线数据采集接口板 我们这次迫切开发新型系统采集仪，就是因为原来那种ISA 扩展总线的笔记本电脑已经淘汰了。当今流行的笔记本电脑只有串口、并口和USB 接口。串口只是一个通讯接口，USB 是一种流行接口，但这次开发我们没有采用，主要是两个原因：一是开发任务迫切许多单位等着使用，由于USB 接口协议非常复杂几乎不能在DOS 环境下使用，这样必须得在WINDOWS 环境下编制驱动程序，而原有的分析处理软件也必须得在WINDOWS 环境下全部重新编制调试，工作量至少得需要二人年；另一方面需要购置USB接口板，由于两年前USB接口开发资料非常少当时自行开发不了。尽管市场上有了一些现成的USB接口采集板，但象有24 路模拟通道、带有应便放大采样保持，5 路16 计数器、内/外部时钟触发的USB 接口采集板是根本没有的。如果外委专业公司设计，因为我们用量少而不愿干，或愿意干要价也太高，我们难以接受，而且这些板对于我们使用、维护都不方便。所以我们决定采用EPP 打印机并行口，它具有8 位双向数据实现并行通讯功能。一般来说它是做两个设备之间的高速双向通讯接口，但通过对该接口功能及时序分析，我们认为经过一定的改造和特殊设计，完全可以变成一个类似ISA 总线的接口，所以决定开发设计打印机并行口总线数据采集接口板。 3.2.3 信号输入通道及稳压/逆变电源的集成面板总成设计 以往开发的采集仪所用的笔记本逆变电源、采集板用的稳压电源和数据采集扩展板都是单独模块，把他们装到机箱里会导致散热不好，而且连线多而乱，拆装非常不方便。我们决定充分利用仪器面板正反两面，进行结构性紧凑优化设计和安装。将整个仪器所用全部输入信号端子插座、电源模块和采集接口板都装到面板上，不仅为维护和拆装带来方便，而且散热良好，提高了系统可靠性。 3.2.4 采集、分析处理程序及仿WINDOWS 界面的集成界面的DOS 环境开发 如果使用WINDOWS 环境，就得需要全部编制驱动程序和试验采集和分析处理程序。前面也讲过利用WINDOWS 环境开发程序得需2 人年，时间太长；最重要的是由于WINDOWS 是多任务系统，直接控制EPP 接口最高采样频率只能达到2K，若设计带有大缓存的数据采集板，这又要增加了开发时间和开发成本。为了保证研发进度我们决定还是采用DOS 环境，由于DOS 所需资源少，硬件控制速度完全能够满足试验要求。 由于更换了总线，系统采集程序需要全部重新编制，对以往的数据采集分析处理程序进行了优化移植，并利用一些特殊的软件技术开发了一些新的功能模块。为了与WINDOWS 接轨，又开发了完全可以以假乱真的、用户非常满意的仿WINDOWS 界面，为用户操作带来方便。 4 系统研发方案实施的技术关键 4.1 EPP 打印机并行接口的工作时序研究 无论是台式还是笔记本电脑，最初的25 个插针的并行口都是为打印机设计的，数据只能单向传输，且速度非常慢，只能达到200K。1997 年INTEL 公司发起制定了EPP 并行接口协议，极大地提高了PC 机并行口数据传输能力，使打印机打印速度明显提高；同时EPP 并行接口可作两个设备的高速通讯接口，如并口光驱、软驱等。通过资料分析研究明，EPP 协议除了保留了原来的SPP 标准控制等信号外，最大的不同是将原来8 位数据线由原来的单向变成了双向；而且增加了主机向外围设备发出数据的控制信号以及外设向主机发送数据的中断请求信号。 4.2 并行接口的“总线化”电路设计 通过上述分析， EPP 口可以实现双向高速并行通讯，但这是两个独立的智能设备之间的通讯，如两台计算机之间或计算机与另一个智能单片机控制的设备之间的通讯。如计算机控制打印机，打印机本身内部就有一个嵌入式单片机，象PC 机读取光驱数据都是通过并口控制光驱内单片机完成的。因为它没有地址信号，从而不能产生多个片选信号，从而只能带一个非智能扩展接口。而我们开发的A/D 数据采集板，不仅有A/D 转换器，还有多片定时计数器及多片 IO 接口，那么就得需要多个片选信号。而EPP 并行口只有8 位数据信号，没有地址信号就不能产生片选信号，这样EPP 并行口根本不能直接与采集板的各种接口芯片相联。按正常逻辑和方法就得用一个高性能的单片机来控制这些芯片，才能满足系统最高200K采集频率的需要。我们历经三次修改方案，创造性地开发了“EPP并行口数据/地址复用电路”，成功地实现了并行接口的“总线化”，解决了EPP 并行口没有地址信号而不能扩展多个接口芯片的难题。 4.3 解决信号输入通道模拟开关及及同步采样/保持器的自动控制问题 为了简化程序控制指令数目，提高A/D 转换效率，我们采用了一个计数器与比较器硬件电路，实现了模拟开关及及同步采样/保持器的自动控制功能。主机可对比较器一个输入端设定通道个数，计数器输出端同模拟开关和比较器的另一输入端相连，转换完成信号与计数器触发脉冲端相连，当计数值与计数器设定值相等时，比较器将计数器清0，使系统自动按通道号由小至大顺序依次往复转换。同理在转换零通道号时，各通道开始执行保持功能。 4.4 解决程控计数器在线飞读高低位互置问题 一般扩展板使用的计数器采用的都是价格便宜、便于扩展的常用芯片8253。它是一个16 位计数器，但由于它的高8 位和低8 位共用一个地址，只是用读写先后顺序来区别。一般是在计数器停止时读取它的数据是非常准确的，但是我们读取速度等计数值时芯片始终处理计数工作状态，也就是所谓的“飞读”。 这样实际读取的结果容易产生高位低位互换情况，造成整个计数值错误。国外设备一个16 位计数器是采用一个单片机完成的，这样要增加了成本和复杂度。我们经过反复探索和试验，最后设计了采用初始化“零复位”原理，采用两个计数器级联方式组成一个16 位计数器，成功地解决了高低位互换问题。 5 EPP1.9 并行接口总线数据采集板的设计及工作原理 5.1 系统结构框图 由于数据采集板要完成24 路12 位模拟信号的A/D 转换、5 路16 位脉冲计数信号，以及程控放大滤波等功能。实现这些功能共需要11 个接口芯片。上面阐述过，一般用EPP 接口是计算机与另一个智能设备间或只与一个接口芯片的通讯，显然我们11 个接口芯片根本不能直接扩展到总线上，经过潜心研究和试验，设计了一个“数据地址复用”电路，将原来的D0-D7 八位数据线又扩展出八位地址线，如同ISA总线一样，可以连接达256 个接口芯片，未加单片机等智能控制器即可扩展多个芯片实现数据采集功能，突破了EPP 打印并行通信接口等常规用法，这是我们研发本系统最大的一个创新点。 对于EPP 与不同设备之间通讯，要满足不同的速度外部设备需要向EPP 并行接口发出一个WAIT 等待信号，主机根据WAIT 等待信号来确定读写指令周期的个数。这对于外围是智能性的设备非常简单，而对于我们开发的这种非智能化采集板问题则变得复杂了，后来我们采用了“片选即等”的方式设计了一个“速度自适应”电路，终于巧妙地解决了EPP 并行接口与外围设备的速度匹配问题，这也是本系统的一个关键技术所在。 还有，为尽可能减少启动A/D 所需的执行软件的时间，完全用硬件电路实现了模拟开关和采集保持电路的自动控制，这样减少了采集软件的控制命令，在不提高成本的前提下提高A/D 速度达20%。这种设计方法在目前国内外有关数据采集的文献上还未见报道过。 5.2 系统工作原理 首先，通过软件对采集接口电路进行初始化，设定模拟信号和脉冲信号采集的通道数、程控滤波的截止频率和放大倍数，通过时钟选择电路，选择系统采样时钟是使用系统内部时钟还是使用外部时钟。如果是使用内部时钟，程序还要通过定时计数器进行采样频率设定。系统选择电路的输出时钟是通过EPP 接口产生一个中断信号控制整个系统的采样频率，并按着这个速度对转换数据进行读取。 对于模拟信号首先是通过程控滤波器进行低通滤波，滤掉高频干扰噪声等信号，然后经过采样保持电路和由自动控制电路控制模拟开关进行不同通道的信号选择，经过A/D 转换后结果数据由主机通过EPP并行口经由“数据地址复用”电路读入到计算机。同理，级联计数器内的外围脉冲通道信号的计数值，也是通过“数据地址复用”电路经由EPP 接口读入计算机的。 6 系统特点及应用 6.1 系统特点 (1) 同一性 创造性地采用打印机并行口作为数据采集系统总线，可直接使用各种笔记本计算机。尽管笔记本电脑的扩展接口在逐渐减少，但目前所有笔记本计算机都有打印接口，虽然主流接口是USB，现在也有了USB接口打印机，但为了兼容EPP 接口打印机，并行接口在计算机中至少会保留五年。这样我们就不必担心因为笔记本接口问题而影响采集仪的开发和使用。 (2) 通用性 这些设备无论从硬件性能上，还是从软件功能、操作使用以及信号的通道输入方式都是完全一样的，使设备具有了良好的通用性。比如说整研的设备坏了或不够用，可以从强振借一台马上就可使用。不象过去即使是能完成这一种试验的采集仪，不仅软件操作得学半天还得重做传感器输入插头。 (3) 统一性 实现了全中心自研车载试验设备的硬件平台的完全统一，可实现汽车的常规道路性能试验、台架等现场试验的数据采集及分析处理。采集精度、系统标定具有一致性，使得试验结果更具可比性；实现了试验分析处理标准和方法的统一；实现了分析处理结果数据格式的统一，为实现数据共享、建立汽研所试验数据库打下基础。 (4) 灵活性 该平台具有结构简洁、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、安全保护好、操作使用、替换维修方便等特点。由于设备完全是自主开发的，根据特殊试验要求可对软硬件进行灵活修改，这是任何进口仪器无法具备的特点。 (5) 开发性 国外设备都是专用的标准化软件，一般没有二次开发功能；而我们的系统具有完全开放硬件及程序数据接口，便于系统升级和用户的二次开发，这也是我们的设备在各试验研究部门备受欢迎的原因之一。通过在本设备上的开发工作，试验研究人员，尤其是工作的毕业生、研究生通过开发工作对试验过程和原理会有深刻认识、对数据分析方法的研究水平会有很大的提高，同时会对解决一些特殊试验难题带来方便。 6.2 应用效果 1） 开发成功的21 台数据采集仪已在整车研究室、试车场、检测中心、底盘试验室等部门投入使用。 2） 在近2 年的时间里，该平台经受了各种汽车试验、各种路面及海南高温环境的考验，得到了这些部门的有关领导和技术人员的肯定和欢迎。一致认为：该系统功能强、可靠性高，在汽车的经济性、动力性、振动性、平顺性、操纵稳定性、ABS 制动性能等试验方面可替代进口设备。 3） 在集团公司重大质量改进项目“解决CA3118K2B 自卸车方向盘40km/h 抖动”工作中，采用该设备成功地测试分析出是由于传动轴的中间支撑梁共振而导致方向盘抖动，从而使这一严重影响市场和信誉的问题得到了彻底解决。 7 结束语 1） 这次新型便携采集仪的开发体现了研制者和广大试验用户的集体智慧，将过去五花八门的自制采集仪进行了规范和统一，使我们中心多年的常规道路性能试验的研究技术和经验得以优化、提炼和整合。目前这批自主研发的采集仪基本上满足了全中心的产品质量攻关和技术对标工作。 2） 在研发过程中创新性地使用EPP 并行口开发了结构简洁、成本低、读写性能完全可以与ISA 总线相媲美的非智能化数据采集板，拓宽了打印机并行口的应用范围。2002 年利用该技术又为电气试验室开发了车速表寿命试验变频扫描信号驱动板。 3） 该平台性能价格比高，价格仅为进口仪器的1/20，代替了计划引进的一批车载数据采集仪，如果进口一台按6 万美元计算，那么21 台则节省达120 万美元。 4）由于USB接口软硬件技术日益成熟，相应的接口控制器芯片价格日渐降纸，目前我们已经开始了USB接口数据采集仪的研发工作，采集及分析处理。下一代数据采集仪软件将全部在WINDOW 环境下运行，更多的软硬件功能会为用户使用带来更大的方便，同时使我们的数据采集仪的研发技术真正地与国外的先进技术接轨。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/31/2005)